Тема 2.2.1.2 "Алкены. Диены и каучуки"
план-конспект урока

Понятие о алкенах и их классификация

Алкены (олефины, этиленовые углеводороды) – углеводороды, которые содержат в молекуле одну двойную связь. Общая формула – CnH2n.

Первый член ряда – этилен (этен) C2H4:

Номенклатура алкенов

Двойную связь обозначают с помощью суффикса -ен. Основная цепь должна включать кратную связь. Нумерация цепи проводится с того конца, к которому ближе двойная связь.

Строение алкенов

Рис. 1. Строение этилена

Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp2-гибридизации. Двойная связь состоит из σ-связи, образованной sp2-гибридными орбиталями, и π-связи, возникающей за счет перекрывания p-орбиталей. Три σ-связи атома углерода направлены к вершинам треугольника с атомом С в центре, угол между связями 120о (рис. 1).

Молекула этилена плоская, а электронная плотность π-связи расположена над и под этой плоскостью (рис. 2). В других алкенах плоским является фрагмент, который непосредственно примыкает к двойной связи (рис. 3). В углеродных соединениях π-связь значительно слабее, чем σ-связь. Под воздействием реагентов π-связь легко разрывается. Шаростержневые модели молекул этена и пропена отражают их пространственное строение.

Изомерия алкенов

1. Изомерия углеродного скелета.

2. Изомерия положения двойной связи.

3. Межклассовая изомерия (с циклоалканами).

4. Геометрическая изомерия.

Рис. 4. Геометрические изомеры бутена-2

Вращения вокруг двойной связи не происходит, ведь для этого нужно разорвать π-связь. Из-за этого у алкенов существует изомерия, связанная с тем, что заместители могут располагаться по одну или по разные стороны двойной связи, как, например, у бутена-2 (рис. 4).

Для бутена-1 геометрическая изомерия невозможна (у одного из атомов С при двойной связи оба заместителя одинаковы: 2 атома водорода).

Физические свойства и нахождение в природе алкенов

Этен, пропен и бутен – газы. Алкены, содержащие от 5 до 18 атомов С в молекуле, – жидкости. Если атомов в молекуле алкена больше 19 – это твердые вещества.

Алкены бесцветны, нерастворимы в воде и легче ее, обладают характерным резким запахом.

Это интересно

Этилен образуется в фруктах, регулируя процесс их созревания. К классу алкенов принадлежат феромоны некоторых насекомых.

Подведение итога урока

На уроке вы начали изучать новый гомологический ряд углеводородов, который относится уже к непредельным углеводородам. Тема: «Алкены. Строение, номенклатура, изомерия и физические свойства». Вы узнали о том, что представляют собой алкены: строение алкенов и их физические свойства, а также изомерия и номенклатура.

Список литературы

1. Рудзитис Г. Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. – 14-е издание. – М.: Просвещение, 2012.
2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений / В. В. Еремин, Н. Е. Кузьменко, В. В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2008. – 463 с.
3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений / В. В. Еремин, Н. Е. Кузьменко, В. В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2010. – 462 с.
4. Хомченко Г. П., Хомченко И. Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. – 4-е изд. – М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. – 278 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «interneturok.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «Органическая химия» (Источник)
3. Интернет-портал «Химик» (Источник)
4. Интернет-портал «Варсон» (Источник)

Алкадиены. Типы алкадиенов. Особенности свойств сопряженных алкадиенов

Номенклатура алкадиенов

Алкадиены (диены, диеновые углеводороды) – соединения, в молекулах которых присутствуют две двойные связи. Общая формула CnH2n-2.

Номенклатура диенов

СН2=СН–СН=СН2

бутадиен-1,3 (дивинил)

Классификация диенов

Кумулированные диены – соединения, в молекулах которых две двойные связи расположены у одного и того же атома углерода: СН2=С=СН–СН2–СН3 (пентадиен-1,2)

Сопряженные диены – соединения, в молекулах которых две двойные связи разделены одной простой связью: СН2=СН–СН=СН–СН3 (пентадиен-1,3)

Изолированные диены – соединения, в молекулах которых две двойные связи разделены более чем одной простой связью. СН2=СН–СН2–СН=СН2 (пентадиен-1,4)

Строение сопряженных диенов

Рис. 1. Сопряжение орбиталей в бутадиене 1,3

Рассмотрим строение сопряженного алкадиена бутадиена-1,3. Молекула имеет плоское строение (рис. 1). Все 4 атома С в sp2-гибридизации, 2 двойных связи. Однако длина этих двойных связей (0,135 нм) больше, чем у алкена (0,133 нм), а простая связь между атомами углерода (0,146 нм) короче, чем связь С-С в алканах (0,154 нм).

Две сопряженных двойных связи в химических реакциях часто ведут себя, как единое целое. Почему?

Происходит частичное перекрывание π-электронных облаков между 2-м и 3-м атомами углерода, и четыре р-орбитали образуют единое π-электронное облако. Такой тип перекрывания орбиталей называют сопряжением. Четыре электрона не локализованы попарно на двойных связях, а распределены вдоль всей цепи – делокализованы (рис. 2).

Рис. 2. Шаростержневая модель молекулы бутадиена-1,3

Свойства сопряженных диенов

Типичные реакции – электрофильное присоединение.

Реакция с избытком брома:

СН2=CН–СH=СН2 + 2Вr2 → СН2Вr–CHВr–СHBr–СН2Br

При взаимодействии 1:1 образуется смесь.

Обычное присоединение:

СН2=CН–СH=СН2 + Вr2 → СН2Вr–CHВr–СH=СН2

Сопряженное присоединение:

СН2=CН–СH=СН2 + Вr2 → СН2Вr–СН=CH–СН2Вr

При сопряженном присоединении π-электронное облако диена участвует в реакции присоединения как единое целое.

Получение диенов

1. В промышленности бутадиен-1,3 и изопрен получают каталитическим дегидрированием бутана и 2-метилбутана, выделенных из фракций нефтеперегонки:

2. Бутадиен-1,3 в промышленности получают из этилового спирта по методу С. В. Лебедева:

3. Лабораторный способ – реакции отщепления, например:

Применение диенов и терпенов

В промышленности диены используют для получения синтетического каучука.

Углеводороды, содержащие две и более двойные связи в молекуле – терпены – широко распространены в растительных организмах, часто обладают приятным запахом. Смеси терпенов используют в производстве духов и ароматических отдушек, а также в медицине.

Жизненно важен для человека b-каротин, который превращается в организме в витамин А, он содержится в красных и желтых плодах (рис. 3). Красный цвет b-каротина обусловлен длинной цепочкой сопряженных двойных связей.

Рис. 3. Морковь. Содержит терпен

Натуральный каучук

Каучуки

продукты полимеризации диеновых углеводородов с сопряжёнными двойными связями.

Натуральный каучук

(от инд. кау — дерево и учу — плакать, течь) — продукт полимеризации изопрена, который содержится в млечном соке некоторых тропических растений — каучуконосов — гевеи, фикуса и др.

Натуральный каучук является линейным продуктом –полиприсоединения изопрена:

Наличие двойных связей в макромолекулах каучуков обусловливает возможность существования их геометрических изомеров, что сказывается на свойствах каучуков: цис-форма по сравнению с транс-формой обладает большей эластичностью. В макромолекулах цис-изомеров все метиленовые () группы расположены строго по одну сторону от двойных связей, а в транс-изомерах — по разные:

В макромолекулах природного каучука все элементарные звенья имеют цис-форму, а в макромолекулах гуттаперчи — кожеподобного продукта, полученного из сока гуттаперченосных тропических растений, — транс-форму. Гуттаперча, в отличие от натурального каучука, обладает значительно меньшей эластичностью.

Свойства каучуков

Эластичность, т. е. способность обратимо растягиваться под действием приложенной силы, является самым важным физическим свойством каучука. К важнейшим свойствам каучука относится также водо- и газонепроницаемость. Каучуки растворимы в углеводородах (бензин, бензол, толуол) и их хлорпроизводных (хлороформ). Однако при нагревании каучук размягчается, теряет эластичность, приобретает липкость, а при охлаждении становится хрупким и также теряет эластичность. При хранении на воздухе каучуки постепенно теряют эластичность вследствие окисления по кратным связям.

Вулканизация каучуков. Резина

С целью улучшения физико-механических свойств каучуки подвергают вулканизации — нагреванию с серой без доступа воздуха. Бóльшую часть производимых каучуков вулканизируют. Сущность вулканизации: заключается в «сшивке» макромолекул каучука по местам двойных связей мостиками из атомов серы:

Вулканизированный каучук имеет разветвлённую сетчатую структуру, вследствие чего по сравнению с невулканизированным каучуком он обладает меньшей эластичностью, но более высокой прочностью.

а)                                                                     б)

Рис. 1. Структура невулканизированного (а) и вулканизированного (б) каучука

С увеличением содержания серы увеличивается твёрдость образующегося материала. В зависимости от содержания серы в вулканизированном каучуке различают мягкие резины (% серы), твёрдые резины (более % серы). Продукт вулканизации каучука, содержащий свыше % серы, называется эбонитом. Эбонит не обладает эластичностью.

Синтетические каучуки

Синтетический каучук в промышленном масштабе впервые был получен в  году в СССР по способу С.В.Лебедева. На полузаводской установке было получено  кг синтетического каучука из дивинила, а в  году впервые в мире осуществлен его промышленный синтез. В Германии каучук был синтезирован в  годах, а в США — в  году. Полученный каучук называется бутадиеновым, он обладает хорошей водо- и газонепроницаемостью, но менее эластичен, чем натуральный каучук, так как имеет нерегулярное строение. Синтетический бутадиеновый каучук с линейной стереорегулярной структурой называют дивиниловым:

Его удалось получить в -х гг. ХХ в. благодаря использованию металлоорганических катализаторов — алкилпроизводных алюминия с добавками солей титана, циркония и других веществ.

Аналогичным образом получают синтетический изопреновый и хлорпреновый каучуки со стереорегулярной структурой:

Каучуки, полученные из бутадиена и изопрена, используют для производства шин, различных резинотехнических изделий, обуви, изделий бытового, пищевого и медицинского назначения. Хлоропреновый каучук характеризуется негорючестью, масло- и бензостойкостью, устойчивостью к действию кислот и щелочей. Из хлоропренового каучука изготавливают шланги, уплотнители, прорезиненные ткани, защитные оболочки кабелей.

Для получения каучуков существует также метод сополимеризации, в котором используют не один, а два разных мономера. Например, бутадиен-стирольный каучук получают сополимеризацией бутадиена со стиролом по реакции:

Меняя соотношение мономеров, можно получать каучуки с различными свойствами.

В настоящее время объём производства синтетических каучуков превосходит объём производства натурального каучука. Каучуки главным образом применяют в производстве резинотехнических изделий, шин, обуви, электроизоляции.

Коротко о главном

Каучуки — продукты полимеризации диеновых углеводородов с сопряжёнными двойными связями.

Натуральный каучук — продукт полимеризации изопрена, который содержится в млечном соке некоторых тропических растений.

Наличие двойных связей в макромолекулах каучуков обусловливает возможность существования цис- и транс-форм структурных звеньев их макромолекул. Цис-форма по сравнению с транс-формой обладает большей эластичностью.

В настоящее время получают в большом объёме различные синтетические каучуки, используя для этого реакции полимеризации и сополимеризации.

К важнейшим свойствам каучука относятся эластичность, водо- и газонепроницаемость. Для улучшения физико-механических свойств каучуки подвергают вулканизации — нагреванию с серой без доступа воздуха. Сущность вулканизации: заключается в «сшивке» макромолекул каучука по местам двойных связей мостиками из атомов серы. Продукты вулканизации каучука — резина и эбонит.

Вопросы для самоконтроля

1. Какое вещество является мономером натурального каучука? Какие мономеры используют для получения синтетических каучуков?
2. Как вы считаете, будут ли цис- и транс-изомеры каучуков отличаться по физико-механическим свойствам?
3. С какой целью применяют вулканизацию каучука? В чём заключается сущность процесса вулканизации?
4. Как содержание серы в каучуке влияет на его свойства? По каким свойствам резина отличается от каучука?

1. Дайте названия следующим углеводородам по систематической номенклатуре:

а) СН3 — СН — СН2 — СН2 — СН = СН2

                   │

                  СН3

б) СН3—СН2—СН2—С = СН—СН3

                                       │

                                     СН2

                                       │

                                      СН3

в) СН3—СН2—СН=СН—СН2—СН3

г) СН3 — С — СН = С — СН3

                 ║                │

               СН2            СН2— СН3

д) СН3 — С = С = С — СН — СН3

                 │           │

               СН2        СН3

                 │

                СН3

е) СН3 — СН2 — СН2 — СН = СН — СН = СН2

2. Напишите структурные формулы соединений:

 а) 2,5-диметилгексен-1

 б) 2,4,4-триметилпентен-2

 в) 2-метил-3,6-диэтилоктен-4

 г) гексадиен-1,5

 д) 2-метилбутадиен-1,3

 е) 2,3-диметилбутадиен-1,3